近日，生命中心临床PI、清华大学基础医学院兼职教授、北京协和医学院教授张抒扬课题组与其合作者在《Research》上发表成果。该研究首次通过冷冻电镜解析人类异戊酰辅酶A脱氢酶（IVD）及其底物复合物结构，揭秘其底物识别催化机制以及致病突变的影响，为治疗遗传性异戊酸血症（IVA）提供全新策略。

IVD是亮氨酸分解代谢中的关键酶，负责催化异戊酰辅酶A转化为3-甲基巴豆酰辅酶A。当其功能缺陷时，毒性代谢物堆积可引发IVA，患儿常出现呕吐、代谢性酸中毒甚至脑损伤。尽管已知IVD基因突变是致病主因，但因其结构动态性高、底物结合机制复杂，科学家长期难以解析其精确工作机制。张抒扬课题组通过优化蛋白纯化策略，利用冷冻电镜技术成功获得IVD酶在apo状态（无底物结合）及与底物异戊酰辅酶A、丁酰辅酶A结合状态下的高分辨率结构（最高分辨率达2.55Å）。研究发现，人类IVD以四聚体形式存在，每个单体包含两个α-螺旋域和一个β-折叠域，形成独特的“U型”底物通道。这一结构特征使其精准识别短支链底物，而长链底物则因空间位阻无法进入催化中心。

图1.冷冻电镜揭示IVD整体结构示意图

研究进一步揭示了IVD的催化机制：位于底物口袋底部的谷氨酸残基（E286）作为催化核心，直接参与α-氢的提取，而辅因子FAD不仅传递电子，还通过氢键网络（如T200、R312、E411等残基）稳定四聚体结构。团队通过构建A314V、E411K等IVA相关突变体，结合酶活性和热稳定性实验发现，这些突变通过破坏FAD结合或扭曲底物口袋构象，导致酶活性丧失高达80%以上。例如，E411K突变将带负电的谷氨酸替换为带正电的赖氨酸，直接干扰FAD的腺苷部分结合，进而影响四聚体稳定性。这些发现从原子层面解释了突变致病机理，为临床表型差异提供了结构基础。此外，研究建立的“突变-结构-功能”对应关系，可提升IVA的基因诊断准确性，帮助预测患者预后。例如，携带A300V等轻度突变的患者可能通过饮食管理控制病情，而E411K等重症突变则需早期干预。本研究不仅加深了我们对IVD酶结构与功能关系的理解，也为针对IVA这种罕见代谢紊乱疾病的潜在治疗策略提供了依据。

生命中心、清华大学基础医学院兼职教授张抒扬、北京协和医院药物研发与评价平台主任栾晓东、中国医学科学院基础医学研究所研究员陈厚早为本文共同通讯作者。清华大学基础医学院2023级博士生琚凯德、北京协和医院心内科2023级博士生白芳与广州医科大学药学院南山学者徐有伟为共同第一作者。清华大学蛋白质研究技术中心蛋白质制备与鉴定平台、蛋白质组学平台为本工作提供了设备和技术支持。本研究得到了医学创新工程、中央高水平医院临床科研专项、十四五国家重点研发计划等项目和单位的经费支持。

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https://spj.science.org/doi/10.34133/research.0661